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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Gasturbinen sowie damit im Zusammenhang stehende Vorrichtungen, Systeme und Verfahren. Insbesondere, jedoch keinesfalls beschränkend, betrifft die vorliegende Anmeldung Vorrichtungen, Systeme und Verfahren zur Verbesserung der Energieeffizienz von Gasturbinen durch Nutzung von unter anderem Erdwärme.
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Bei steigenden Energiekosten und zunehmender Nachfrage ist das Ziel, die Effizienz von Gasturbinen zu verbessern und erneuerbare Energiequellen, wie bspw. geothermische Energie bzw. Erdwärme, effektiver zu nutzen, von Bedeutung. Auf dieses Ziel hin können, wie nachstehend beschrieben, kosteneffiziente Systeme entwickelt werden, um die unter der Oberfläche der Erde vorgefundene, relativ konstante Temperatur zur Verbesserung des Gasturbinenbetriebs zu nutzen, insbesondere wenn es den Betrieb an heißen und kalten Tagen betrifft.
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Wie für einen Fachmann auf dem Gebiet verständlich, kann das Leistungsverhalten von Gasturbinen negativ beeinflusst werden, wenn Umgebungstemperaturen entweder zu heiß oder zu kalt sind. Wenn z. B. die Einlasslufttemperatur zu heiß ist, steigt der Wärmeverbrauch der Gasturbine und die Ausgangsleistung sinkt, was natürlich die Effizienz der Anlage verringert. Wenn andererseits die Umgebungstemperaturen unter ein bestimmtes Niveau fallen, kann eine Vereisung auftreten. Diese kann z. B. an dem Einlass zu dem Verdichter, an dem Einlass zu dem Filtergehäuse oder den Einlassleitschaufeln oder anderen ähnlich angeordneten Komponenten auftreten. Die Vereisung kann die Ausrüstung beschädigen oder bewirken, dass diese ineffektiv arbeitet. Z. B. kann eine Vereisung die Einlassleitschaufeln hindern, ordnungsgemäß zu arbeiten, was die Effizienz der Turbine negativ beeinflussen kann.
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Zur Lösung dieser Probleme sind herkömmliche Systeme vorgeschlagen worden. Z. B. schlagen einige herkömmliche Systeme für den Betrieb an heißen Tagen die Verwendung eines mechanischen Kühlsystems, um die in den Verdichter eintretende Luft zu kühlen. Diese Option ist unerwünscht, weil die zum Betreiben des Kühlers benötigte Energie den Gesamtwirkungsgrad der Gasturbine sowie die mit dem Kühler verbundenen hohen Ausrüstungskosten wesentlich beeinflusst. Ein weiteres herkömmliches System ist ein Einlasswasservernebelungssystem, das ein Einspeisen von Wasserdampf in die in den Verdichter eintretende Luft umfasst. Die Verdampfung des eingespeisten Dampfes verringert die Temperatur der Luftströmung. Jedoch hängt die richtige Funktionsweise eines Systems dieser Bauart weiterhin wenigstens etwas von Umgebungsbedingungen ab und erfordert die Installation kostspieliger Bauteile und Steuersysteme. Ferner kann die Zugabe von Wasser zu dem Strömungspfad der Anlage auf diese Weise eine schnellere Verschlechterung und Erosion von Teilen in dem Strömungspfad bewirken und steigert an sich allgemein die Instandhaltungskosten.
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Für den Betrieb an kalten Tagen umfassen herkömmliche Systeme allgemein einen Entzug von Energie aus dem Anlagenabgas, um die Temperatur der in den Verdichter eintretenden Luft anzuheben. Dabei benötigen derartige Systeme wiederum eine Installation kostspieliger Bauteile und Steuersysteme. Ferner verringert in dem Maße, in dem die Energie in dem Abgas für andere Zwecke, wie z. B. als die Heizquelle in der Dampfturbine eines Kombikraftwerks verwendet werden kann, die Abzweigung eines Teils der Abgasenergie allgemein den Gesamtwirkungsgrad der Kraftwerksanlage.
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Infolgedessen bleibt ein Bedarf nach verbesserten Vorrichtungen, Systemen und Verfahren zur kosteneffizienten Milderung von leistungsbezogenen Problemen in Gasturbinen, die während eines Betriebs an heißen und kalten Tagen auftreten.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Anmeldung beschreibt somit ein Erdwärmetauschersystem zur Verwendung in einem Gasturbinenkraftwerk, das eine Einlasskammer (auch als Einlassplenum bezeichnet) enthält, die eine Luftströmung zu einem Verdichter führt, der die Luftströmung verdichtet, wobei die verdichtete Luftströmung anschließend in einer Brennkammer mit einem Brennstoff vermischt und verbrannt wird, so dass die resultierende Heißgasströmung durch eine Turbine geleitet wird. Das Erdwärmetauschersystem kann eine Einrichtung zum Austausch von Wärme zwischen einer Erde und der sich durch die Einlasskammer bewegenden Luftströmung.
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In einigen Ausführungsformen weist die Einrichtung zum Austausch von Wärme zwischen der Erde und der sich durch die Einlasskammer bewegenden Luftströmung ein Wärmerohr auf. In einigen Ausführungsformen weist die Einrichtung zum Austausch von Wärme zwischen der Erde und der sich durch die Einlasskammer bewegenden Luftströmung entweder eine Wärmesenke bzw. einen Wärmeableiter oder einen Thermosiphon auf.
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In einigen Ausführungsformen weist die Einrichtung zum Austausch von Wärme zwischen der Erde und der sich durch die Einlasskammer bewegenden Luftströmung ein Wärmeübertragungsfluid auf, das mittels einer Pumpe durch einen Kreislauf umgewälzt wird, der durch die Erde und die Einlasskammer verläuft.
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In einigen Ausführungsformen weist die Erde entweder eine Position unter der Oberfläche des Erdbodens oder eine Position unterhalb der Oberfläche eines Gewässers auf. In einigen Ausführungsformen weist die Erde eine Position in einer vorbestimmten Tiefe unter der Oberfläche des Erdbodens auf. Die vorbestimmte Tiefe weist eine Tiefe auf, die größer ist als 25 Fuß.
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In einigen Ausführungsformen weist das Wärmerohr eine Zweiphasen-Wärmeübertragungsvorrichtung auf, die ein abgedichtetes Rohr enthält, das aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist. In einigen Ausführungsformen ist das abgedichtete Rohr luftentleert und mit einer kleinen Menge eines Arbeitsfluids aufgefüllt.
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In einigen Ausführungsformen ist das Wärmerohr im Wesentlichen vertikal ausgerichtet und weist eine Dochtstruktur auf, wobei die Dochtstruktur ein Material aufweist, das konfiguriert ist, um einen gewünschten Kapillardruck an dem kondensierten Arbeitsfluid zu erzielen. In einigen Ausführungsformen weist die Dochtstruktur entweder eine Nut-Dochtstruktur, eine Drahtgitter-Dochtstruktur, eine Pulvermetall-Dochtstruktur oder eine Faser/Feder-Dochtstruktur auf. In einigen Ausführungsformen ist das Wärmerohr konfiguriert, um an heißen Tagen Wärme aus der Luftströmung durch die Einlasskammer zu der Erde zu übertragen, so dass die Effizienz des Gasturbinenkraftwerks erhöht ist. In einigen Ausführungsformen ist das Wärmerohr konfiguriert, um an kalten Tagen Wärme aus der Erde zu der Luftströmung durch die Einlasskammer zu übertragen, so dass eine unerwünschte Eisbildung vermieden wird.
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In einigen Ausführungsformen enthält das Erdwärmetauschersystem ferner eine Einrichtung zur Übertragung von Wärme zwischen einer Abgasströmung aus der Turbine und der Einlasskammer. In einigen Ausführungsformen weist die Einrichtung zur Übertragung von Wärme zwischen der Abgasströmung aus der Turbine und der Einlasskammer ein Wärmerohr auf.
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Diese und weitere Merkmale des vorliegenden Anmeldegegenstandes erschließen sich bei der Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine Schnittansicht einer Gasturbine, die für die Turbinenarten typisch ist, die in Kraftwerken eingesetzt werden können, in denen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können;
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2 veranschaulicht eine schematische Darstellung einer Gasturbine, deren Darstellung verwendet wird, um Kraftwerke gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen;
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3 zeigt eine schematische Darstellung unter Veranschaulichung der Konfiguration eines Gasturbinenkraftwerks gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung;
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4 zeigt eine schematische Darstellung unter Veranschaulichung einer Vorderansicht (d. h. mit Blick in die Einmündung der Einlasskammer hinein) der Konfiguration von Wärmerohren in der Einlasskammer gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung; und
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5 zeigt eine schematische Darstellung unter Veranschaulichung der Konfiguration eines Gasturbinenkraftwerks gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Anschauliche Ausführungsformen der Erfindung sind nun hier nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben, in denen einige, jedoch nicht alle Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht sind. In der Tat kann die Erfindung in vielen unterschiedlichen Formen realisiert werden und sollte nicht als auf die hierin angegebenen Ausführungsformen beschränkt ausgelegt werden; vielmehr sind diese Ausführungsformen vorgesehen, damit diese Offenbarung den anwendbaren gesetzlichen Bestimmungen genügt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen überall gleiche Elemente.
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Um die Erfindung gemäß der vorliegenden Anmeldung klar zu beschreiben, kann es erforderlich sein, eine Terminologie zu wählen, die bestimmte Maschinenkomponenten oder Teile einer Turbinenmaschine bzw. Turbinenanlage betrifft und beschreibt. Wenn es möglich ist, wird eine in der Industrie übliche Terminologie verwendet und auf eine mit ihrer akzeptierten Bedeutung konforme Weise eingesetzt. Jedoch ist beabsichtigt, dass jeder derartigen Terminologie eine weite Bedeutung zukommt und diese nicht eng ausgelegt wird, so dass die hierin beabsichtigte Bedeutung und der Schutzumfang der beigefügten Ansprüche nicht unangemessen eingeschränkt werden. Fachleute auf dem Gebiet werden verstehen, dass häufig bestimmte Komponenten mit mehreren unterschiedlichen Namen bezeichnet werden können. Außerdem kann das, was hierin als ein Einzelteil beschrieben ist, mehrere Komponententeile enthalten und in anderem Kontext in Bezug genommen werden, als enthielte es mehrere Komponententeile, oder das, was hierin als mehrere Komponententeile enthaltend beschrieben sein kann, in Form eines Einzelteils gestaltet und in einigen Fällen als ein Einzelteil bezeichnet sein. An sich sollte für das Verständnis des Schutzumfangs der hierin beschriebenen Erfindung nicht nur auf die angegebene Terminologie und Beschreibung, sondern auch auf die Struktur, Konfiguration, Funktion und/oder den Gebrauch der Komponente, wie hierin vorgesehen, geachtet werden.
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Außerdem können einige beschreibende Ausdrücke hierin verwendet werden. Die Bedeutung für diese Ausdrücke soll die folgenden Definitionen umfassen. In dem hierin verwendeten Sinne sind „stromabwärts” und „stromaufwärts” Ausdrücke, die eine Richtung relativ zu einer Strömung eines Arbeitsfluids durch die Turbine anzeigen. An sich bedeutet der Ausdruck „stromabwärts” die Richtung der Strömung, und der Ausdruck „stromaufwärts” bedeutet in der entgegengesetzten Richtung zu der Strömung durch die Turbine. Mit diesen Ausdrücken im Zusammenhang stehend bezeichnen die Ausdrücke „hintere(r, s)” und/oder „Hinterkante” die stromabwärtige Richtung, das stromabwärtige Ende und/oder in der Richtung des stromabwärtigen Endes der beschriebenen Komponente. Ferner bezeichnen die Ausdrücke „vordere(r, s)” oder „Vorderkante” die stromaufwärtige Richtung, das stromaufwärtige Ende und/oder in der Richtung des stromaufwärtigen Endes der beschriebenen Komponente. Der Ausdruck „radial” bezeichnet eine Bewegung oder Position senkrecht zu einer Achse. Es ist häufig erforderlich, Teile zu beschreiben, die sich an unterschiedlichen radialen Positionen in Bezug auf eine Achse befinden. Falls in diesem Fall eine erste Komponente näher an der Achse liegt als eine zweite Komponente, kann hierin angegeben werden, dass sich die erste Komponente „innenliegend” oder „radial innen” von der zweiten Komponente befindet. Falls andererseits die erste Komponente weiter entfernt von der Achse als die zweite Komponente liegt, kann hierin angegeben werden, dass sich die erste Komponente „außenliegend” oder „radial außen” von der zweiten Komponente befindet. Der Ausdruck „axial” bezieht sich auf eine Bewegung oder Position parallel zu einer Achse. Ferner bezieht sich der Ausdruck „Umfangs-” oder „in Umfangsrichtung” auf eine Bewegung oder Position rings um eine Achse.
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Indem nun auf die Figuren Bezug genommen wird, zeigt 1 eine Darstellung einer herkömmlichen Gasturbine 50. Allgemein arbeiten Gasturbinen, indem sie Energie aus einer unter Druck stehenden Heißgasströmung entziehen, die durch die Verbrennung eines Brennstoffs in einem Strom verdichteter Luft erzeugt wird. Wie in 1 veranschaulicht, kann die Gasturbine 50 mit einem Axialverdichter 52, der über eine gemeinsame Welle oder einen Rotor mit einem stromabwärtigen Turbinenabschnitt oder einer Turbine 54 mechanisch gekoppelt ist, und einer Brennkammer 56 eingerichtet sein, die zwischen dem Verdichter 52 und der Turbine 54 angeordnet ist.
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Der Verdichter 52 kann mehrere Stufen enthalten, wobei jede Stufe eine Reihe von Verdichterrotorschaufeln aufweist, denen eine Reihe von Verdichterstatorschaufeln folgt. Insbesondere enthält eine Stufe allgemein eine Reihe von Verdichterrotorschaufeln, die rings um eine zentrale Welle rotieren, denen eine Reihe von Verdichterstatorschaufeln folgt, die während des Betriebs stationär bleiben. Die Verdichterstatorschaufeln sind allgemein in Umfangsrichtung voneinander beabstandet und um die Drehachse ortsfest. Die Verdichterrotorschaufeln sind an der Welle angebracht, so dass, wenn die Welle während des Betriebs rotiert, die Verdichterrotorschaufeln an dieser umlaufen. Wie ein Fachmann auf dem Gebiet verstehen wird, sind die Verdichterrotorschaufeln derart konfiguriert, dass sie beim Umlaufen an der Welle der Luft oder dem Fluid, die bzw. das durch den Verdichter 52 strömt, kinetische Energie verleihen. Die Turbine 54 kann ebenfalls mehrere Stufen enthalten. Eine Turbinenstufe kann mehrere Turbinenlaufschaufeln oder Turbinenrotorschaufeln, die an der Welle während des Betriebs umlaufen, und mehrere Leitschaufeln oder Turbinenstatorschaufeln enthalten, die während des Betriebs stationär bleiben. Die Turbinenstatorschaufeln sind allgemein in Umfangsrichtung voneinander beabstandet und um die Drehachse ortsfest. Hingegen können die Turbinenrotorschaufeln für eine Rotation an der Welle auf einem Turbinenlaufrad montiert sein.
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Im Einsatz wird durch die Drehung der Verdichterrotorschaufeln 60 in dem Axialverdichter 52 eine Luftströmung verdichtet. In der Brennkammer 56 wird Energie freigesetzt, wenn die verdichtete Luft mit einem Brennstoff vermischt und gezündet wird. Die resultierende Strömung unter Druck stehender Heißgase aus der Brennkammer 56, die allgemein als das Arbeitsfluid der Anlage bzw. Maschine bezeichnet wird, wird anschließend beim Durchgang durch die Turbinenrotorschaufeln expandiert. Die Strömung des Arbeitsfluids ruft die Rotation der Turbinenrotorschaufeln an der Welle hervor. Dadurch wird die Energie des Brennstoffs in die kinetische Energie der Strömung des Arbeitsfluids umgesetzt, die anschließend in die mechanische Energie der umlaufenden Schaufeln und über die Verbindung zwischen den Rotorschaufeln und der Welle der umlaufenden Welle umgewandelt wird. Die mechanische Energie der Welle kann dann dazu verwendet werden, die Drehbewegung der Verdichterrotorschaufeln anzutreiben, so dass die notwendige Zufuhr verdichteter Luft erzeugt wird, und auch z. B. zum Antreiben eines (nicht veranschaulichten) Generators, um Elektrizität zu erzeugen.
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2 veranschaulicht eine schematisierte Darstellung einer Gasturbine 100, deren Darstellung verwendet wird, um Kraftwerke gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen. Wie veranschaulicht, kann die Gasturbine 100 einen Verdichter 52, eine Brennkammer 56 und eine Turbine 54 enthalten. An dem stromaufwärtigen Ende des Verdichters 52 kann eine Einlasskammer bzw. ein Einlassplenum 112 angeordnet sein. Die Einlasskammer 112 stellt im Wesentlichen einen Kanal bereit, durch den eine Luftzufuhr in den Verdichter 52 eingeleitet wird. Es ist verständlich, dass die Konfiguration der Einlasskammer 112 viele unterschiedliche Konfigurationen aufweisen kann. Wie veranschaulicht, kann die Einlasskammer konfiguriert sein, um eine verhältnismäßig weite Einmündung zu haben, deren Querschnitt bis zu einem Kanal abnimmt, der eine Luftzufuhr zu dem Einlass des Verdichters 52 leitet. Natürlich kann in einigen Gasturbinenanwendungen eine deutlich kleinere Struktur verwendet werden, um einen Einlass für die in den Verdichter 52 eintretende Luft zu schaffen. An sich ist in dem hierin verwendeten Sinne mit Einlasskammer 112 jede beliebige Struktur, groß oder klein, gemeint, die stromaufwärts von einer der Stufen des Verdichters 52 positioniert ist und durch die wenigstens ein Teil der in den Verdichter 52 eintretenden Luft strömt. Wie ein Fachmann auf dem Gebiet verstehen wird, kann die Einlasskammer 112 bestimmte Komponenten, wie bspw. Filter, Schalldämpfer etc., enthalten, die deren Funktion verbessern. Da diese Komponenten jedoch für die Funktion eines Kraftwerks gemäß der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt notwendig oder ausschließend sind, sind sie in den Figuren weggelassen worden. Wie deutlich wird, ermöglicht die Flexibilität von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, dass diese auf vielfältige Art und Weise in im Wesentlichen jeder beliebigen Bauart einer Struktur einer Einlasskammer 112 oder unmittelbar in dem Verdichter 52 selbst enthalten sein können.
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3 zeigt eine schematisierte Darstellung, die die Konfiguration eines Gasturbinenkraftwerks 130 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung veranschaulicht. Ähnlich wie das in 2 veranschaulichte System kann das Gasturbinenkraftwerk 130 einen Verdichter 52, eine Brennkammer 56, eine Turbine 54 und eine Einlasskammer 112 enthalten. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Gasturbinenkraftwerk 130 ferner eine Wärmetauschervorrichtung enthalten, die für den Austausch von Energie zwischen der Luftströmung in der Einlasskammer 112 oder durch den Verdichter 52 und der Erde oder dem Grund 134 sorgt. In dem hierin verwendeten Sinne soll „Erde” oder „Grund” jede beliebige Art eines geothermischen Mediums enthalten. In einigen Ausführungsformen bezeichnet Erde den Erdboden auf einem vorbestimmten Untergrundniveau, wie dies in 3 veranschaulicht ist. Wie verständlich ist, bleibt die Temperatur der Erde unterhalb der Oberfläche des Erdbodens unabhängig von der Jahreszeit ziemlich konstant. Dies gilt insbesondere in Tiefen zwischen ungefähr 25 und 500 Fuß unter der Oberfläche der Erde. In einigen Ausführungsformen können auch geringere Tiefen verwendet werden; z. B. können für manche Anwendungen Tiefen zwischen ungefähr 10 und 50 Fuß unter der Oberfläche der Erde geeignet sein.
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Diese relativ konstanten unterirdischen Temperaturen bedeuten, dass die Erdtemperatur innerhalb dieser gegebenen Tiefenbereiche das ganze Jahr über, selbst an Orten mit warmem Klima relativ kühl bleibt. Z. B. bleibt die Bodentemperatur von Atlanta, Georgia, das ganze Jahr über ziemlich konstant bei 62°F. An dem anderen Ende des Spektrums, in Regionen mit relativ kaltem Klima, bleibt die Boden- bzw. Untergrundtemperatur selbst in den kältesten Monaten des Jahres relativ warm. Z. B. bleibt die Bodentemperatur von New York, New York, das ganz Jahr über ziemlich konstant bei 52°F. Wie angegeben, können sich die Begriffe „Grund” oder „Erde” auch auf andere Arten von geothermischen Medien, wie bspw. eine Untergrundstelle in einem Gewässer, bspw. einem See oder einem Fluss oder dem Meer, beziehen.
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Wie in 3 veranschaulicht, kann die Wärmetauschervorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform in Form von einer oder mehreren länglichen Wärmeübertragungsstrukturen 136, wie bspw. eines oder mehrerer Rohre, gestaltet sein, die sich von einer Stelle in der Erde (die z. B. eine Stelle in dem Boden unter der Erdoberfläche, eine Stelle unter der Oberfläche in einem See oder eine sonstige derartige Stelle sein kann) bis zu einer Stelle innerhalb der Einlasskammer 112 erstrecken. Die Wärmeübertragungsstrukturen 136 können konfiguriert sein, um effizient Wärme von einer heißen Seite (die in Abhängigkeit von der Anwendung sowie auch den momentanen Umgebungs- und Erdtemperaturbedingungen entweder die Erde oder die Einlasskammer sein kann) zu einer kalten Seite zu übertragen (die abhängig von der Anwendung sowie den momentanen Umgebungs- und Erdtemperaturbedingungen entweder die Erde oder die Einlasskammer sein kann). Auf der heißen Seite und der kalten Seite enthält die Struktur 136 allgemein eine äußere Oberfläche, die gut Wärme leitet, wie bspw. eine metallische Oberfläche. Außerdem kann ein Ende der Struktur 136, die, wie veranschaulicht, ein Rohr sein kann, in der Erde in einer gewünschten Tiefe positioniert sein, so dass es mit dem umgebenden Erdmaterial oder Wasser in Kontakt steht und die Wärmeübertragung zwischen dem umgebenden Material und der Struktur 136 wie gewünscht ist. Das andere Ende der Struktur oder des Rohrs 136 kann in der Einlasskammer 112 positioniert sein, so dass die durch die Einlasskammer 112 strömende Luft über und rings um dieses strömt, so dass der zwischen der Struktur 136 und der Luftströmung auftretende Wärmetransfer mit einer gewünschten Rate erfolgt.
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In einigen Ausführungsformen kann die längliche Struktur 136 nach 3 ein herkömmliches Wärmerohr aufweisen. Ein Wärmerohr ist eine Zweiphasen-Wärmeübertragungsvorrichtung mit einer sehr effektiven Wärmeleitfähigkeit. Ein Wärmerohr besteht allgemein aus einem abgedichteten Rohr oder einer abgedichteten Hülse, das bzw. die aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie bspw. Stahl, Kupfer oder Aluminium, sowohl an dem heißen als auch an dem kalten Ende hergestellt ist. Es kann zylindrisch oder ebenflächig sein, und die Innenfläche kann, wie nachstehend erläutert, mit einem kapillaren Dochtmaterial ausgekleidet sein. Beim Aufbau wird das Wärmerohr luftentleert und mit einer kleinen Menge eines Arbeitsfluids, bspw. Wasser, Aceton, Stickstoff, Methanol, Ammoniak oder Natrium, aufgefüllt. Es können auch andere Arten anorganischer Materialien verwendet werden. In dem Verdampferbereich wird durch Verdampfung des Arbeitsfluids Wärme aufgenommen. Der Dampf transportiert die Wärme zu dem Kondensatorbereich, worin der Dampf kondensiert und dadurch Wärme an ein Kühlmedium abgegeben wird.
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In einigen Ausführungsformen kann das Wärmerohr gemäß der vorliegenden Erfindung ein zu einer Schleife geschlossenes Wärmerohr, d. h. ein Wärmerohr mit einer Dochtstruktur, die einen Kapillardruck auf die flüssige Phase des Arbeitsfluids ausübt, sein. Die Dochtstruktur kann jedes beliebige Material enthalten, das in der Lage ist, einen hinreichenden Kapillardruck auf die kondensierte Flüssigkeit auszuüben, um diese durch Dochtwirkung zurück zu dem erwärmten Ende zu befördern. In einigen Ausführungsformen kann die Dochtstruktur eine von den üblichen Dochtstrukturen sein, die in herkömmlichen Wärmerohranwendungen verwendet werden, zu denen eine nutartige Dochtstruktur (d. h. eine Reihe von Nuten, die in Längsrichtung entlang der inneren Oberfläche des Wärmerohrs verlaufen), eine drahtgeflechtartige oder gitterdrahtartige Dochtstruktur, eine Pulvermetall-Dochtstruktur und eine Faser/Feder-Dochtstruktur gehören. Das Wärmerohr kann gegebenenfalls keine Dochtstruktur benötigen, falls die Schwerkraft oder irgendeine sonstige Beschleunigungsquelle ausreicht, um die Oberflächenspannung zu überwinden und die kondensierte Flüssigkeit zu veranlassen, zurück zu dem erwärmten Ende zu strömen.
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Wie in 3 veranschaulicht, können die Wärmerohre 136 gemäß der vorliegenden Erfindung in einigen Ausführungsformen vertikal ausgerichtet sein. In dieser Einrichtung und bei Fehlen einer Dochtstruktur kann geothermische Energie aus der Erde 134 verwendet werden, um die in den Verdichter 52 eintretende Luftströmung zu erwärmen (d. h. das wärmere erdseitige Ende des Wärmerohrs 136 verdampft ein Arbeitsfluid, das an dem kalten Ende des Wärmerohrs in der Einlasskammer 132 kondensiert, wodurch die um dieses herum strömende Luft erwärmt wird). Diese Anordnung kann verwendet werden, wenn die Erdtemperatur größer ist als die Lufttemperatur, was während eines Betriebs an kalten Tagen zur Verhinderung einer Eisbildung an Anlagenkomponenten wirksam sein kann.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes kann eine Dochtstruktur, wie vorstehend beschrieben, eingesetzt werden, so dass die vertikal ausgerichteten Wärmerohre nach 3 weiterhin genutzt werden können, wenn die Erdtemperatur kleiner ist als die Umgebungslufttemperatur. In diesem Fall können Anlagenbetreiber wünschen, die Umgebungsluft, die dem Verdichter zugeführt wird, zu kühlen. An Stelle der Schwerkraft, die das kondensierte Fluid zu der kalten Seite des Wärmerohrs zurückführt, überwindet der durch die Dochtstruktur geschaffene Kapillardruck die Schwerkraft, wodurch das kondensierte Fluid durch Dochtwirkung von der kälteren Erdseite zu der wärmeren Seite im Inneren der Kammer nach oben transportiert wird. Wenn dieses sich im Inneren der Kammer befindet, nimmt das Wärmerohr Wärme von der vorbeiströmenden Luftströmung durch die Verdampfung des transportierten Fluids auf. Ein Kühlen der Luft auf diese Weise, wie erläutert, erhöht allgemein den Wirkungsgrad des Gasturbinenkraftwerks und kann, wenn die Umgebungstemperatur hoch ist, verwendet werden, um die Anlagenleistung zu verbessern.
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Die Vorteile der Verwendung von Wärmerohren für jedes erforderliche Kühlen oder Wärmen sind vielfältig. Erstens sind Wärmerohre gänzlich passive Wärmeübertragungssysteme, die keine bewegten Teile aufweisen, die verschleißen könnten. Zweitens erfordern Wärmerohre keine Energie für ihren Betrieb. Drittens sind Wärmerohre relativ kostengünstig. Viertens sind Wärmerohre hinsichtlich der Größe, Form und der effektiven Betriebstemperaturbereiche flexibel.
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Im Betrieb, wenn Umgebungstemperaturen unter ein gewünschtes Niveau fallen, können Wärmerohre mit der in 3 veranschaulichten Konfiguration im Betrieb wirksam werden, um Wärme von dem Untergrund zu pumpen, um die durch die Einlasskammer 112 strömende Luft zu erwärmen. Dies kann z. B. verwendet werden um zu verhindern, dass sich an dem einlassseitigen Filtergehäuse oder den Einlassleitschaufeln unerwünschtes Eis bildet. Wenn andererseits die Umgebungstemperaturen über ein gewünschtes Niveau ansteigen, können Wärmerohre mit der in 3 veranschaulichten Konfiguration wirksam werden, um Wärme von der durch die Einlasskammer 112 strömenden Luft in die Erde zu pumpen. Dies kann z. B. an heißen Tagen dazu verwendet werden, den Wirkungsgrad der Anlage zu steigern.
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Wie in den 3 und 4 veranschaulicht, können die Wärmerohre in einigen Ausführungsformen mehrere Zweige aufweisen. Die Zweige 138 erhöhen allgemein den Oberflächenbereich zum Wärmeaustausch mit der Erde.
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4 veranschaulicht eine Vorderansicht der Einlasskammer 112 (d. h. mit Blick in die Einmündung der Einlasskammer 112) und zeigt eine beispielhafte Konfiguration der Wärmeübertragungsstruktur 136 (in diesem Fall der Wärmerohre) innerhalb der Einlasskammer gemäß einer Ausführungsform des vorliegenden Anmeldegegenstandes. Wie veranschaulicht, können die Wärmerohre vertikal angeordnet sein und sich von dem Innenraum der Einlasskammer 112 bis zu einer gewünschten Tiefe innerhalb der Erde 134 erstrecken. Es können mehrere Wärmerohre quer durch die Einlasskammer 112 gleichmäßig verteilt sein. In bestimmten Anwendungen können mehrere oder wenigere Wärmerohre verendet werden.
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Indem nun auf 5 Bezug genommen wird, ist dort eine alternative Ausführungsform eines Gasturbinenkraftwerks gemäß dem vorliegenden Anmeldegegenstand, ein Gasturbinenkraftwerk 150, veranschaulicht. In diesem Fall ist eine sekundäre Wärmeübertragungsstruktur 152 konfiguriert, um Wärme zwischen der Einlasskammer 112 und dem Abgas der Turbine 54 auszutauschen. Bei dieser Kraftwerksbauart kann, wie veranschaulicht, ein Abhitzedampferzeuger 154 vorhanden sein. Ein Teil des Turbinenabgases kann von der Hauptströmung über einen Abgasbypass 155 umgeleitet und durch eine Wärmeübertragungseinheit 156 geführt werden. Im Inneren der Wärmeübertragungseinheit 156 kann das Abgas die sekundäre Wärmeübertragungsstruktur 152 erwärmen. Die sekundäre Wärmeübertragungsstruktur 152 kann, wie veranschaulicht, mit der Wärmeübertragungsstruktur 136 verbunden sein, worin die Wärme aus dem Abgas in die Einlasskammer 112 gepumpt werden kann. Diese Konfiguration stellt ein zusätzliches Heizelement für das Kraftwerk bereit, das, wie ein Fachmann auf dem Gebiet verstehen wird, für bestimmte Anwendungen erforderlich sein kann. Die sekundäre Wärmeübertragungsstruktur 152 kann mit der vorstehenden Beschreibung übereinstimmende Wärmerohre aufweisen.
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Wie erwähnt, weisen die Wärmeübertragungsstruktur 136 und die sekundäre Wärmeübertragungsstruktur 152 in bevorzugten Ausführungsformen Wärmerohre auf. In anderen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung können die Wärmeübertragungsstruktur 136 und die sekundäre Wärmeübertragungsstruktur 152 andere herkömmliche Wärmeübertragungsstrukturen oder -systeme aufweisen. Z. B. kann an Stelle der Wärmerohre eine Wärmesenke bzw. ein Wärmeableiter verwendet werden, die bzw. der aus festen Rohren aus leitfähigem Metall hergestellt ist. Während die mit Wärmerohren verbundene zweiphasige Wärmeübertragung einen effizienteren Wärmeübertragungsmodus darstellen kann, kann die einphasige Wärmeübertragung durch Wärmeleitung im Zusammenhang mit bestimmten Feststoffen für einige Anwendungen ausreichend sein. In anderen Ausführungsformen kann ein Wärmeübertragungsfluid mittels einer Pumpe durch einen Kreislauf umgewälzt werden, so dass das Fluid Wärme zwischen der Erde 134 und der Einlasskammer 112 austauscht. In noch weiteren Ausführungsformen kann ein Thermosiphon eingesetzt werden. Wie ein Fachmann auf dem Gebiet versteht, ist ein Thermosiphon eine einem Wärmerohr ähnliche Einrichtung, in der Wärmeenergie durch Fluidauftrieb und nicht durch Verdampfung und Kondensation übertragen wird.
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Wie ein Fachmann auf dem Gebiet verstehen wird, können die vielen variierenden Merkmale und Konfigurationen, wie sie vorstehend in Bezug auf die verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen beschrieben sind, ferner wahlweise angewandt werden, um andere mögliche Ausführungsformen des vorliegenden Anmeldegegenstandes zu bilden. Der Kürze wegen und unter Berücksichtigung der Fähigkeiten eines Fachmanns auf dem Gebiet sind all die möglichen Iterationen bzw. Schritte nicht angegeben oder im Einzelnen beschrieben, obwohl alle Kombinationen und möglichen Ausführungsformen, die von den mehreren nachstehenden Ansprüchen oder in sonstiger Weise umfasst sind, einen Teil des vorliegenden Anmeldegegenstandes bilden sollen. Außerdem werden Fachleute auf dem Gebiet anhand der vorstehenden Beschreibung verschiedener beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung Verbesserungen, Veränderungen und Modifikationen erkennen. Derartige Verbesserungen, Veränderungen und Modifikationen innerhalb der Fachkenntnisse sollen ebenfalls durch die beigefügten Ansprüche abgedeckt sein. Ferner sollte es offensichtlich sein, dass das Vorstehende lediglich die beschriebenen Ausführungsformen des vorliegenden Anmeldegegenstandes anbetrifft und dass daran zahlreiche Veränderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne dass von dem Rahmen und Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die folgenden Ansprüche und deren Äquivalente definiert ist, abgewichen wird.
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Ein Erdwärmetauschersystem zur Verwendung in einem Gasturbinenkraftwerk, das eine Einlasskammer 112 enthält, die eine Luftströmung zu einem Verdichter 52 führt, der die Luftströmung verdichtet, die anschließend in einer Brennkammer 56 mit einem Brennstoff vermischt und verbrannt wird, so dass die resultierende Heißgasströmung durch eine Turbine 54 geleitet wird, wobei das Erdwärmetauschersystem aufweist: eine Einrichtung zum Austausch von Wärme 136 zwischen einer Erde 134 und der sich durch die Einlasskammer 112 bewegenden Luftströmung.
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Bezugszeichenliste
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- 50
- herkömmliche Gasturbine
- 52
- Verdichter
- 54
- Turbinenabschnitt
- 56
- Brennkammer
- 60
- Verdichterrotorschaufel
- 100
- Gasturbine
- 112
- Einlasskammer, Einlassplenum
- 130
- Gasturbinenkraftwerk
- 134
- Erde, Grund oder Boden
- 136
- Wärmeübertragungsstruktur
- 138
- Zweige
- 150
- Gasturbinenkraftwerk
- 152
- sekundäre Wärmeübertragungsstruktur
- 154
- Abhitzedampferzeuger
- 155
- Abgasbypass
- 156
- Wärmeübertragungseinheit
